1. Сети радиодоступа стандарта lte

1.1. Общая характеристика стандарта и структура сети lte

Стандарт LTE (E-UTRA) рассматривают в настоящее время как наиболее перспективный для реализации широкополосного мобильного радиодоступа. Организация радиоканалов со скоростями в десятки и сотни мегабит/с, возможность предоставления любых видов пакетных услуг: VoIP, видео, игр в реальном времени, чтения файлов из Интернета, совместимость сетей LTE с Интернетом и с действующими пакетными сетями GERAN/UMTS и CDMA2000 – все это способствует большим надеждам, которые операторы телекоммуникационных компаний связывают с развертыванием LTE-структур.

В сравнении с предшествующими стандартами сотовой связи стандарт LTE обладает рядом существенных преимуществ. С появлением сетей LTE стираются различия между сетями сотовой связи (GSM, UMTS, CDMA-2000) и сетями радиодоступа семейства IEEE 802.X: 802.11 (Wi-Fi) и 802.16 (WiMAX). Фактически стандарты 3-го поколения GERAN (модернизированный GSM) и UTRAN в своих аббревиатурах позиционируют себя как сети радиодоступа – Radio Access Network. Это означает, что пользовательское оборудование может быть любым – от компактных мобильных телефонов (“трубок”) до персональных компьютеров различной производительности. Переход к радиосетям 4-го поколения требует предоставления услуг широкополосного доступа с целью увеличения скоростей передачи на порядок. Скорости в десятки мегабит/с в полосе 20 МГц реализованы в сетях Wi-Fi и WiMAX. В сетях LTE Rel.8 полоса рабочих частот также может достигать 20 МГц, что позволяет получить те же скорости, что и в сетях WiMAX. Однако в отличие от сетей WiMAX сети LTE имеют выход на существующую инфраструктуру сотовых сетей и, прежде всего, на глобальную сеть GERAN/UMTS. Абоненты LTE получают услуги глобального роуминга, а при использовании многостандартных терминалов GERAN/UMTS/LTE обслуживание в тех местах, где сети LTE пока не развернуты.

В стандарте LTE гармонически соединились передовые технологии 21 века. На физическом уровне в LTE использована технология OFDM, обеспечивающая высокие скорости передачи в радиоканалах с многолучевым распространением радиоволн. На уровне соединений (L2) и сетевом уровне (L3) за основу взяты протоколы стандарта UTRA (UMTS) при высокоскоростной передаче трафика с коммутацией пакетов. Поэтому стандарт LTE по праву является новым этапом развития сетей радиодоступа Evolved UTRA. За прошедшие 5 лет со дня появления стандарт LTE претерпел существенную модернизацию. Новая версия стандарта LTE-A (Advanced) Rel.10, 11 обеспечивает высокое качество предоставляемых услуг и сквозные скорости в сотни мегабит/с. Для достижения подобных скоростей в LTE-A используют совместно 2 технологии:

- расширение полосы передаваемого сигнала за счет агрегации рабочих полос,

- пространственное мультиплексирование передаваемых сигналов.

Агрегация полос позволяет увеличить суммарную полосу до 5×20 = 100 МГц. Пространственное мультиплексирование предоставляет возможность одновременно передавать в одном частотном канале до 8 различных потоков данных. В результате скорости передачи в радиоканале возрастают на порядок.

Другой отличительной чертой сетей LTE является прописанная в спецификациях неоднородность их структур. Кроме макро, микросот и пикосот в зданиях предполагается широкое использование фемтосот – домашних базовых станций по сути аналогичных точкам доступа в сетях Wi-Fi. При этом появляется возможность высококачественного обслуживания абонентов, находящихся в помещениях, что создает конкурентную среду с другими сетями радиодоступа. Улучшению связи также будет способствовать использование прописанных в спецификациях релейных станций LTE.

В стандарте LTE все типы трафика, включая голосовой, передают с коммутацией пакетов. Сети LTE являются all-IP сетями, где все интерфейсы, кроме радиоинтерфейса, построены на основе IP-протокола. Это позволяет унифицировать структуру интерфейсов транспортной сети, широко использовать туннельные соединения, технологию IMS при организации услуг, применять стандартные в сети Интернета методы защиты информации. Существенно упрощаются межсистемные сигнальные соединения и протоколы передачи пакетов трафика.

Сети стандарта E-UTRAN (LTE) предназначены как для обмена пакетным трафиком между различными абонентами сетей радиодоступа, так и для доставки пакетов на абонентский терминал с интернет-серверов. Структура сети LTE представлена на рис. 1.1.

Рис.1.1. Структура сети LTE

Сеть включает в себя мобильные терминалы (UE – User Equipment), сеть радиодоступа E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) и новое ядро сети Evolved Packet Core (EPC). Для обслуживания абонентов сеть имеет выход на сети с предоставлением услуг по IP-протоколу и на домашние сети абонентов (HSS – Home Subscriber Server).

Сеть радиодоступа E-UTRAN построена как совокупность узлов базовых станций eNB (E-UTRAN NodeB или eNodeB), где соседние eNB соединены между собой интерфейсом Х2. Ядро сети EPC (Evolved Packet Core) (рис.1.1) состоит из обслуживающего шлюза S-GW (Serving Gateway), шлюза для выхода на пакетные сети PDN GW (Packet Data Network Gateway), структуры управления по протоколу Mobility Management MME (Mobility Management Entity), связанной с S-GW и eNodeB сигнальными интерфейсами. На рис. 1.1 соединения для передачи данных показаны толстыми линиями, сигнальные соединения – тонкими.

eNB подключены к EPC посредством интерфейса S1.При этом интерфейс S1 в пользовательской плоскости S1-U (User Plane) непосредственно замыкается на обслуживающий шлюз S-GW (Serving Gateway), в то время как сигнальная часть интерфейса S1-C (Control Plane) следует на MME – Mobility Management Entity.

UE (абонентский терминал) подключенный к сети LTE, может находиться в состоянии CONNECTED (ACTIVE) или в состоянии IDLE. В состоянии CONNECTED идет обмен сообщениями (как сигнальными, так и пакетами трафика) по радиоинтерфейсу. В состояние IDLE станцию переводят на время пауз в сеансе связи. В этом состоянии абонент сохраняет свой IP-адрес, сеть поддерживает абонентские базы данных, а местоположение абонента определено с точностью до зоны слежения Tracking Area.

eNB объединяет в себе функции базовых станций и контроллеров сетей 3-го поколения. Для каждого активного абонента в eNB открыта база данных. eNB

• обеспечивает передачу трафика и сигнализации в радиоканале,

• управляет распределением радиоресурсов,

• обеспечивает сквозной канал трафика к S-GW,

• выбирает обслуживающий MME,

• поддерживает синхронизацию передач и контролирует уровень помех в соте,

• обеспечивает шифрацию всех пользовательских сообщений и целостность передачи сигнализации по радиоканалу,

• выбирает MME и организует сигнальный обмен с ним,

• производит обработку данных и сигнализации на уровне L2,

• организует хэндоверы,

• поддерживает услуги мультимедийного вещания.

MME:

• ведет базы данных абонентов, зарегистрированных в сети,

• выбирает S-GW и PDN GW при подключении абонентов к сети,

• обеспечивает передачу и защиту сигнализации NAS (Non Access Stratum) по протоколам MM (Mobility Management) SM (Session Management) между MME и UE,

• обеспечивает локализацию, аутентификацию и авторизацию абонентов,

• участвует в организации межсетевых связей и хэндоверов,

• организует вызовы UE, находящихся в состоянии IDLE,

• ведет сигнальный обмен с eNB при организации сквозных каналов.

Каждый UE, зарегистрированный в сети, обслуживает один Serving Gateway. S-GW – обслуживающий шлюз:

• выполняет функции “якоря” в визитной сети, маршрутизируя трафик при перемещениях UE в состоянии CONNECTED от одного eNB к другому (хэндовере),

• ведет базу данных абонентов, зарегистрированных в сети,

• участвует в организации сквозных каналов с eNB и PDN GW, а также сигнальных соединений с MME при регистрации абонента в сети и при выполнении процедуры локализации,

• предоставляет учетные данные для тарификации и оплаты выполненных услуг.

PDN GW:

• является “якорем” при подключении внешним IP-сетям; ведет базу данных абонентов, подключенных к нему,

• организует точку доступа к внешним IP-сетям,

• активизирует статический IP-адрес абонента; если абонент должен получить на время сеанса связи динамический IP-адрес, PDN GW запрашивает его с сервера DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) или сам выполняет необходимые функции DHCP, после чего обеспечивает доставку IP-адреса абоненту,

• обеспечивает качественные характеристики услуг на внешнем соединении через интерфейс SGi и фильтрацию входящих пользовательских пакетов данных,

• организует сквозные каналы и сигнальные соединения между S-GW PDN GW,

• устанавливает требуемые качественные характеристики сквозных каналов на основе установок, полученных от PCRF, в том числе максимальные и минимальные скорости передачи данных в сквозных каналах в соответствии с качественными характеристиками передаваемого трафика QCI (QoS Class Identifier),

• ведет учёт предоставленных абонентам услуг.

PDN GW обычно находится в домашней сети абонента, а S-GW, MME и eNB ‒ в визитной. Если абонента обслуживает домашняя сеть, то PDN GW и S-GW связаны интерфейсом S5, если S-GW находится в визитной сети, а PDN GW в домашней, то между ними интерфейс S8, представляющий собой межсетевой вариант S5.

Policy and Charging Resource Function (PCRF) по сути представляет собой управляющий сервер, обеспечивающий централизованное управление ресурсами сети, учет и тарификацию предоставляемых услуг. Как только появляется запрос на новое активное соединение, эта информация поступает на PCRF. Он оценивает имеющиеся в его распоряжении ресурсы сети и направляет в PCEF (Policy and Charging Enforcement Function) шлюза PDN GW команды, устанавливающие требования к качеству услуг и к их тарификации. PCRF находится в домашней сети абонента. Согласно спецификациям PCRF является опциональным узлом, но большинство операторов строят сети с PCRF.

HSS – Home Subscriber Server, обеспечивает выполнение процедур безопасности в сети LTE, исполняя функции HLR и AuC в сетях GSM/UMTS. HSS поддерживает сигнальную сеть IMS при организации услуг. ММЕ имеют прямой выход на HSS через интерфейс S6a по протоколу Diameter.

В сетях LTE при передаче информации в транспортной сети используют IP-технологии. Все элементы сети LTE имеют локальные IP-адреса. Структура интерфейса S1 представлена на рис. 1.2.

Сигнальные сообщения по S1 (S1 – Control Plane) следуют между eNB и MME. Подуровни L2 SCTP (Stream Control Transmission Protocol) и IP поддерживают стандартный транспорт для передачи сигнальных сообщений. В частности, SCTP обеспечивает надежность передачи и последовательность доставки сообщений.

В пользовательской плоскости S1 (S1 - User Plane) для обмена пакетами между eNB и S-GW используют туннельное соединение. Структура туннеля приведена на рис. 1.3, а формат сообщений, передаваемых по туннелю, на рис. 1.4.

a) б)

Рис.1.2. Интерфейс S1

Рис.1.3. Структура туннельного соединения

IP

UDP

GTP

IP

TCP/UDP

Информационное сообщение

Рис.1.4. Формат пакетов, передаваемых по туннелю

Залитая часть пакета (рис.1.4) состоит из трех подзаголовков трех подуровней туннельного протокола, содержащих:

IP – локальные IP-адреса функциональных узлов, между которыми организован туннель;

UDP – номера портов в соответствующих функциональных узлах;

GTP – идентификатор собственно туннеля, помеченный его конечной точкой TEID (Tunnel Endpoint Identifier). TEID – 32-битовое двоичное число, выделяемое при организации туннеля приемной стороной. При создании двунаправленных туннельных соединений, например, на интерфейсе S1 между eNB и S-GW, фактически организуют 2 туннеля, один из которых имеет TEID в eNB для передачи пакетов трафика вниз, а другой в S-GW для передачи вверх. Туннельный протокол используют для передачи трафика и на интерфейсе S5/S8. В сетях LTE туннели организуют не только для передачи пакетов трафика, но и сигнализации. Сигнальные туннели реализованы на интерфейсах S5/S8 и S11.

После подключения к сети абонентской станции для абонента открывают базы данных в ММЕ, S-GW и PDN GW, организуя туннельные соединения на интерфейсе S5/S8. При этом абоненту, имеющему индивидуальный системный номер IMSI (International Mobile Subscriber Identity), ММЕ назначает временный номер M-TMSI (MME Temporary Mobile Subscriber Identity) длиной 32 бита.

Как было сказано, после подключения к сети E-UTRAN UE может находиться в двух состояниях: ECM_CONNECTED и ECM_IDLE⁴. В состоянии CONNECTED (ACTIVE) активизировано соединение на радиоинтерфейсе между UE и eNB, в обслуживающем eNB открыта база данных UE, и организованы сквозные каналы на интерфейсе S1 для передачи сигнализации или трафика. Местоположение абонента известно с точностью до соты, а при перемещении абонента от одного eNB к другому происходит процедура хэндовера (рис.1.5).

Рис.1.5. Процедуры при перемещении абонента по сети LTE

В перерывах передачи трафика по радиоканалу сеть переводит UE в состояние IDLE. В этом состоянии сохраняются базы данных абонента в ММЕ, S-GW, PDN GW и туннели на интерфейсах S5/S8 и S11. Станция в состоянии IDLE локализована с точностью до зон слежения (Tracking Area). Зона слежения – это группа сот, через которые передают одновременно сигналы пейджинга (вызова по радиоканалу при поступлении входящего трафика).

Перемещаясь по сети в состоянии IDLE, UE прослушивает сигналы eNB, совершая процедуру реселекции сот, т.е. переключаясь на eNB с наиболее сильным сигналом. При переключении на eNB, расположенном в зоне, отсутствующей в списке, UE запускает процедуру локализации. При этом происходит обновление базы данных абонента в ММЕ, а абонент получает новый временный номер M-TMSI.